花粉管被LURE肽吸引，LURE肽由胚珠產(chǎn)生，以實現(xiàn)受精。在他們最近發(fā)表在“ 自然”雜志上的報告中，名古屋大學(xué)的一對植物生物學(xué)家現(xiàn)在首次揭示了花粉管中的受體，這是探測LURE所必需的。揭示植物受精中的這種未知機制可以導(dǎo)致花粉管生長效率的提高，這可以因此導(dǎo)致增加的受精成功率。此外，這項研究還可能產(chǎn)生新的方法，以實現(xiàn)不同植物物種之間的相互作用，以產(chǎn)生新的作物。

日本名古屋 - JST-ERATO Higashiyama Live-Holonics項目的Hidenori Takeuchi博士和Tetsuya Higashiyama教授以及名古屋大學(xué)轉(zhuǎn)化生物分子研究所(ITbM)成功發(fā)現(xiàn)了花粉管中的關(guān)鍵激酶受體(雄性)開花植物負責(zé)允許花粉管精確到達卵細胞(雌性)以成功受精，而不會失去方向。

花粉管在雌蕊內(nèi)生長，將精子細胞傳遞給位于雌蕊深處的卵細胞，進行受精。Higashiyama的小組先前發(fā)現(xiàn)了一種花粉管引誘肽，稱為LURE，由胚珠產(chǎn)生，引導(dǎo)花粉管向卵細胞。研究表明，LURE的結(jié)構(gòu)因植物種類而異，并且對每株植物的花粉管都有特異性; 即，每種LURE肽優(yōu)先吸引相同植物物種的花粉管。然而，到目前為止，關(guān)于花粉管如何檢測LURE的確切機制尚不清楚。

解開未知受體和植物受精機制

圖2.未被LURE吸引的LURE和prk6突變體花粉管吸引的野生型花粉管的比較

在這項研究中，2016年3月10日在線發(fā)表在Nature，Takeuchi和Higashiyama 雜志上，發(fā)現(xiàn)了一種受體，這種受體是在模式植物擬南芥(擬南芥)的花粉管尖端檢測LURE所必需的。他們還發(fā)現(xiàn)，該受體與具有相似結(jié)構(gòu)的多個受體一起工作，以便精確檢測從雌蕊傳遞的信號。通過接受從雌蕊發(fā)出的各種信號，激酶受體使花粉管能夠生長到雌蕊內(nèi)部的位置，在那里它們可以檢測到LURE。隨后，引導(dǎo)花粉管到達卵細胞并傳遞其精子細胞用于受精。

“我們相信這項研究可以促進我們對植物物種之間受精機制的理解，”目前在奧地利格雷戈爾孟德爾研究所進行這項研究的博士后研究員竹內(nèi)說。“在進一步詳細研究這種受體的作用后，我們希望這將導(dǎo)致開發(fā)改變受精成功率和提高種子生產(chǎn)效率的技術(shù)，并建立實現(xiàn)不同物種之間受精的方法， “ERATO項目的項目負責(zé)人Higashiyama說，名古屋大學(xué)ITbM的教授/副主任。

我們每天吃的大米和大豆是植物的種子，很多蔬菜都是從種子中發(fā)育出來的。對于植物生長種子，植物中的雄性和雌性生殖器官必須會合并受精。開花植物的雄性器官由花粉和內(nèi)部的精子細胞組成?；ǚ郯l(fā)育成花粉管，這是一個具有管狀結(jié)構(gòu)的單細胞?；ǚ酃?花藥)的尖端延伸并生長到雌蕊中。花粉管最終到達雌蕊深處的卵細胞，并將精子細胞傳遞到卵細胞以進行受精。

花粉管能夠精確地找到卵細胞而不會失去方向的事實可能是支持我們食物供應(yīng)的關(guān)鍵因素。植物中雄性和雌性器官的會議是一個極其神秘而重要的事件，但它的確切機制仍然充滿了神秘色彩。

解開未知受體和植物受精機制

圖3.響應(yīng)LURE時PRK6定位的變化。

2009年，Higashiyama和他的同事們發(fā)現(xiàn)，一個位于卵細胞旁邊的助細胞產(chǎn)生一種名為LUREs的分子，可吸引Torenia植物中的花粉管。他們還在2012年在擬南芥(Arabidopsis thaliana)中發(fā)現(xiàn)了類似的LURE肽。

“我們發(fā)現(xiàn)LURE的結(jié)構(gòu)根據(jù)植物種類的不同而不同，特定植物的誘餌吸引同一物種的花粉管，這保留了同一物種之間的受精，”Higashiyama描述道。“因此，LURE被認為是女性器官吸引植物中雄性器官的關(guān)鍵因素。”

然而，關(guān)于花粉管如何檢測LURE的機制，花粉管如何生長到它們可以檢測到LURE的雌蕊內(nèi)部的位置，以及花粉管生長和反應(yīng)背后的因素是未知的。Higashiyama的團隊決定通過嘗試揭示花粉管中的關(guān)鍵因素來研究這些問題，使其能夠檢測到LURE。

“通過使用擬南芥(Arabidopsis thaliana)作為模型，我們假設(shè)特異性定位于花粉管膜表面的23種激酶受體可能是檢測LURE所必需的候選物，”Takeuchi說。“我通過停用每種激酶受體的功能進行了花粉管的生物測定，發(fā)現(xiàn)PRK6受體對檢測LURE至關(guān)重要。”

解開未知受體和植物受精機制

圖4.將擬南芥的PRK6基因插入Capsella風(fēng)疹中。

對于PRK6，實際上存在多個具有相似氨基酸序列的受體家族。在使其他PRK受體的功能失活后，Takeuchi和Higashiyama發(fā)現(xiàn)PRK受體的各種組合的喪失導(dǎo)致花粉管對LURE或阻礙的花粉管生長的響應(yīng)減少。這與先前的報道一致，即PRK受體響應(yīng)于從雌蕊發(fā)出的信號誘導(dǎo)花粉管的生長。因此，該團隊發(fā)現(xiàn)PRK6及其它PRK受體共同檢測LURE，并使花粉管能夠生長到雌蕊內(nèi)部的位置，在那里它可以檢測到LURE。

Takeuchi接下來研究了PRK6如何在花粉管的細胞內(nèi)發(fā)送信號，以了解它如何響應(yīng)LURE。“當(dāng)花粉管沿直線方向生長時，PRK6在細胞膜上均勻分布，”Takeuchi解釋說。“我使用熒光標(biāo)記的PRK6，并在花粉管中加入LURE后，我觀察到PRK6向花粉管頂端的細胞膜區(qū)域移動，面向LURE?；ǚ酃苋缓蟾淖兎较虿㈤_始向著餌。” 根據(jù)這些結(jié)果，研究小組發(fā)現(xiàn)PRK6收集了花粉管在LURE方向生長所需的因子。

“雖然花粉管的吸引力被認為優(yōu)先發(fā)生在同一物種之間，但我們想知道我們是否可以讓它在不同物種之間發(fā)生，”Higashiyama說。將來自擬南芥的LURE處理至與擬南芥(Arabidopsis thaliana)在相同的十字花科(十字花科)家??族中的薺菜(粉紅色牧羊人 - 錢包)植物的花粉管中，未觀察到對LURE的響應(yīng)。

“有趣的是，當(dāng)我們將擬南芥的PRK6基因插入到薺菜的花粉管中時，它對擬南芥的誘餌有反應(yīng)，”竹內(nèi)說。“這一數(shù)據(jù)表明，花粉管中的PRK6受體肯定是檢測同一物種LURE的關(guān)鍵因素。我們也非常高興看到花粉管與不同物種的誘餌之間發(fā)生花粉管吸引，”竹內(nèi)和東山。

通過雌蕊對雌蕊的施肥產(chǎn)生種子已經(jīng)有2000多年的歷史，并且是農(nóng)業(yè)中極其重要的機制。此外，100多年前發(fā)現(xiàn)了花粉管被雌蕊器官吸引的事實。自從發(fā)現(xiàn)引誘劑分子LURE以來，已經(jīng)尋求公開對蛋白質(zhì)的反應(yīng)機制。該研究揭示了花粉管中的PRK6受體是檢測LURE并向LURE生長的主要因素。

“通過對PRK受體家族的進一步研究，我們希望揭示通過花粉管的生長和LURE的檢測發(fā)生的完整受精機制，”Takeuchi和Higashiyama說。

“我們在研究中發(fā)現(xiàn)，插入PRK6受體基因可以吸引不同物種的花粉管，”Higashiyama說。“這可能有可能開發(fā)出能夠在不同物種之間進行受精的新方法。通過探索靶向PRK受體的分子，這可能會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)化學(xué)品的產(chǎn)生，通過提高受精率來改善種子生產(chǎn)。我們還設(shè)想這項研究將引發(fā)新的研究，以促使不同物種之間的受精，以創(chuàng)造有助于可持續(xù)糧食供應(yīng)的新的和有用的植物物種，“他繼續(xù)說。